國外振動噪聲有源控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

劉小玲，王旭，郭瑩，劉亞鳳

（中國船舶信息中心信息資源部，北京 100192）

0 引言

有源控制技術(shù)最早起源于20世紀30年代，并在20世紀80年代中期至90年代中期達到高潮。這項技術(shù)主要擅長于控制低頻振動噪聲，與傳統(tǒng)的無源噪聲控制方式互補性極強，具有低頻范圍效果好、體積小、對被控系統(tǒng)物理特性影響小、安裝設(shè)計方便，能適應(yīng)未知擾動，以及系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定性等優(yōu)點，為控制低頻噪聲開辟了一個新的發(fā)展方向，成為振動噪聲控制領(lǐng)域的研究熱點。

目前，國外已經(jīng)開展了振動噪聲有源控制技術(shù)的研究與應(yīng)用。美海軍在《2000～2035年海軍技術(shù):成為21世紀的軍隊》中列出了潛艇將來需要重點關(guān)注的輻射噪聲降低技術(shù)，主要有:①主動基座技術(shù);②隔離結(jié)構(gòu)技術(shù);③先進的艇殼被覆技術(shù)（如自適應(yīng)消聲瓦技術(shù)）;④雙殼建造技術(shù);⑤武器發(fā)射瞬間噪聲降低技術(shù)等。除了②、④兩項外，其余基本上都與有源控制技術(shù)有關(guān)。

1 有源控制技術(shù)的分類與發(fā)展

根據(jù)具體控制方式的不同，有源噪聲控制技術(shù)可分為有源聲控制和有源力控制2種。

1．1 有源聲控制

在20世紀90年代以前，有源控制系統(tǒng)中一般采用聲源（如揚聲器）產(chǎn)生次級聲場進行控制（如圖1所示）。因此，這種有源控制方式被稱為有源聲控制，也被稱為“以聲消聲”。有源聲控制的研究在20世紀80年代中期至90年代中期達到高峰，以英國南安普頓大學(xué)的聲與振動研究所（ISVR）的研究最為出色，研究成果主要應(yīng)用在船舶或者飛機的艙室、汽車駕駛室以及其他一些工作空間環(huán)境中。

圖1 有源聲控制結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Schematic of active control of vibration and noise

1．2 有源力控制

在工程實際中，有相當一部分噪聲是由于結(jié)構(gòu)振動輻射引起的。對于這類噪聲，人們試圖用有源聲控制的方法加以控制。然而理論研究結(jié)果表明，只有在極低的頻率下，用少量點聲源可以取得降噪效果。如果次級結(jié)構(gòu)振動變得稍稍復(fù)雜一些，或激勵頻率稍微高一些，用點聲源來控制聲輻射就變得異常復(fù)雜，效果也不能令人滿意，于是人們開始考慮通過一個次級力源控制結(jié)構(gòu)振動進而控制結(jié)構(gòu)聲輻射，即有源力控制。后來，這種控制方法也被稱為“以力消聲”。很多國家對這種控制方法進行了重點研究。

1）美國

美國弗吉尼亞大學(xué)振動聲學(xué)實驗室的C．R．Fuller等人從1985年開展了用次級力源控制結(jié)構(gòu)聲輻射或聲傳輸?shù)难芯?，并稱這種方法為結(jié)構(gòu)聲有源控制（Active Structural Acoustic Control，ASAC）。他們的研究從簡單梁、板結(jié)構(gòu)到復(fù)雜的圓柱殼，以及板殼復(fù)合結(jié)構(gòu)，許多研究成果都得到了具體的應(yīng)用，開創(chuàng)了有源噪聲控制的新途徑。到20世紀90年代中期以后，這個研究機構(gòu)的工作逐漸深入，工作重點轉(zhuǎn)向研究解決實際應(yīng)用中遇到的問題。

在實際中，置于聲場遠場的誤差傳感器會妨礙工作、布置不便，同時有限點的聲壓并不能代表結(jié)構(gòu)的聲輻射功率。因此，如何在結(jié)構(gòu)表面或聲場近場布置誤差傳感器（或稱為檢測傳感器）獲得結(jié)構(gòu)輻射聲功率信息，成為有源力控制的一個主要問題。具體來說，誤差傳感器可以檢測聲壓參量，也可以檢測結(jié)構(gòu)參量，如振動加速度、速度及位移、結(jié)構(gòu)應(yīng)力等，需要研究這些參量與輻射聲功率的映射關(guān)系及轉(zhuǎn)換關(guān)系。

同時，可以選用的次級力源類型有電動制動器、壓電陶瓷片、壓電聚偏乙烯（PVDF）薄膜等，因此，次級力源類型及個數(shù)對控制效果的影響也是一個重要的研究內(nèi)容。

2）澳大利亞

關(guān)于有源力控物理機理的研究對控制器的設(shè)計優(yōu)化有直接的幫助，因此，從不同角度研究有源力控制的物理機理也受到人們的關(guān)注。近年來，澳大利亞海事平臺部進行了相關(guān)研究。

針對潛艇結(jié)構(gòu)建立有源控制物理系統(tǒng)模型，在建模時考慮殼體周圍的水負載，并且將模型兩端分別設(shè)計為半球殼和圓錐殼（如圖2所示），這樣的簡化比以往單一的針對圓柱殼體研究更加貼近實際情況。初級力為模擬螺旋槳推進器的軸向力，并通過繞殼體一周的T形PZT激振器來施加控制力（如圖3所示）。采用了前饋主動控制策略進行控制，在這種控制策略下，剛性結(jié)構(gòu)結(jié)合激振器能產(chǎn)生幅值足夠的控制力矩來降低低頻時潛艇殼體總的輻射聲壓。經(jīng)過對仿真結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，這個控制系統(tǒng)可以使前三階軸向模態(tài)的輻射聲壓得到有效控制，衰減幅度可達三分之二。

此外，澳大利亞海事平臺部還分析了不同的控制力作用位置對控制效果的影響，通過比較分析了線形控制力矩與點狀控制力矩的控制效果，發(fā)現(xiàn)二者的結(jié)果非常相似，表明用點力取代線性力進行控制是可行的，這一結(jié)論對于將有源控制技術(shù)應(yīng)用于實際的工程中有很大的推動作用。

3）英國

英國也非常注重有源控制技術(shù)的研究。作為“機敏”級攻擊型潛艇的主要設(shè)計研發(fā)單位，英國BAE系統(tǒng)公司在2008年1月與謝菲爾德大學(xué)正式簽署為期5年的合作協(xié)議，成立了主動控制研究中心（CRAC），就提高潛艇的聲隱身能力，聯(lián)合開展技術(shù)研發(fā)，降低潛艇的聲信號，為BAE系統(tǒng)公司研制潛艇提供技術(shù)保障。

目前，該研究中心的研究主要集中在以下3個方面:

①選擇性阻尼

選擇性阻尼屬于主動阻尼技術(shù)，主要用來降低潛艇艇體的振動噪聲。圖4為選擇性阻尼的1個實驗?zāi)Ｐ停L約2 m，重50 kg，圖上模型前端是一個170 N的激振器用來模擬螺旋槳的擾動輸入，控制力是通過安裝在另一頭的1個50 N的激振器來施加。在這個模型上還安裝了15個加速度傳感器，用于測量振動的頻率、振幅等信息，隨后將振動信息輸入到數(shù)字信號處理器中，信號處理器利用設(shè)定好的控制算法計算出正確的波形輸給控制激振器，然后通過控制激振器消除艇體的振動。

圖4 選擇性阻尼試驗?zāi)Ｐ虵ig.4Small scale model of selective damping

圖5 選擇性阻尼試驗結(jié)果Fig.5The result of selective damping's experimentation

圖5是實驗結(jié)果，通過對比控制前后殼體在某一共振頻率下的振動幅值分布，可以看出控制效果還是非常明顯的。在這個小的試驗?zāi)Ｐ蜕线M行試驗，不斷對控制算法進行有效優(yōu)化，并確定激振器和誤差傳感器的最優(yōu)布放位置，是實船試驗必不可少的一個準備階段。

隨后，主動控制研究中心又做了第2個試驗?zāi)Ｐ?。?個模型重約5 t，沒有披露具體的尺寸，但是特別指出，與第1個模型相比，為了更加貼近實船情況，其密度大了很多。第2模型實驗時控制輸入的是2個約50 N的激振器，試驗采用了8個加速度傳感器。在第2個試驗?zāi)Ｐ蜕?，發(fā)現(xiàn)了451 Hz與511 Hz 2個共振頻率，針對這2個共振頻率，他們分別進行了單、雙模態(tài)控制試驗。

在第2個模型之后，研究中心還成功完成另1個重35 t模型的試驗。2001年，研究中心在1艘排水量為4 500 t的實艇上成功地進行了全尺寸的試驗驗證，試驗結(jié)果如圖6所示。

在全尺寸實驗時采用了8個均為170 N的激振器進行控制，但是由于在試驗時有2個激振器沒有工作，所以試驗結(jié)果沒有達到預(yù)期的理想。圖6中試驗結(jié)果圖的縱坐標為加速度級，橫坐標為頻率，他們認為頻率尺度涉及到了商業(yè)機密，所以沒有透露。通過這個全尺寸的試驗，研究中心認為，選擇性阻尼不但有效而且還具有一個容錯性能。

圖6 選擇性阻尼全尺寸試驗結(jié)果Fig.6Suppression of thrust block resonance—full-scale vessel

通過一系列試驗，該研究中心認為，這項技術(shù)對于大型艦船結(jié)構(gòu)的振動噪聲，特別是低頻噪聲的控制效果十分理想，并且實現(xiàn)了很多被動措施達不到的控制效果。主動控制研究中心正對其開展進一步的研究，對自動校準和適應(yīng)控制系統(tǒng)進行研究，用來處理不確定的、隨時間變化的振動噪聲，使其能在實艇上得到應(yīng)用。

②智能彈簧支座

研究中心針對抑制殼體的振動噪聲輻射研究雖然取得了一些成果，但是并沒有就此滿足，他們還考慮追溯到振動的源頭進行控制，進一步降低艇體噪聲輻射。

圖7 智能彈簧的隔振性能提高Fig.7Improvement due to a smart spring Mounting System

目前，大型船用機械通常安裝在1個浮筏上，浮筏再由船體上的1套彈性橡膠底座與艇體連接，這些橡膠底座對于浮筏與船體間的振動傳遞起到一定隔離作用，但是畢竟是一種被動的隔振方式，在共振頻率處的隔振效果并不理想（如圖7所示）。這些共振會對船體產(chǎn)生很大的作用力，并產(chǎn)生一些特征信號。從這個頻幅圖上可以看出，特別在低頻時，被動隔振效果非常不好，會產(chǎn)生很大的共振峰。針對這一情況，研究中心提出了智能彈簧支座系統(tǒng)，如圖8所示。

圖8 智能彈簧支座結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8Prototype actuator for a smart spring mounting system

智能彈簧支座屬于單自由度隔振裝置，是一種典型的主被動聯(lián)合控制方式，與之前的主動隔振裝置最大的不同之處是:不但可以實現(xiàn)局部控制，還可以完成全局控制。從圖9中智能彈簧支座的試驗結(jié)果可以看出，與單純的被動控制相比，這個控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)大約30 dB的衰減，基本可以實現(xiàn)對支座的零剛度要求。

圖9 主動與被動響應(yīng)結(jié)果Fig.9Active and passive mount response

③六自由度主動支座

關(guān)于單自由度的主動隔振研究技術(shù)已經(jīng)很成熟，但是離實際應(yīng)用還是有一定距離，所以又開始了一個新的研究——六自由度主動支座系統(tǒng)。

圖10 六自由度支座結(jié)構(gòu)示意圖Fig.106 degrees smart spring mounting system

開展這項實驗研究的主要目的就是為了進一步改進主動隔振技術(shù)方案，以便將來在實船上得到應(yīng)用。該試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)如圖10所示。從圖中可見，模型頂端用1個170 N的激振器模擬船用機械振動，中間是1個標準的艦用隔振橡膠，周圍是6個30 N的電動力式激振器，通過這6個像腳一樣伸出來的電動力式激振器來實現(xiàn)六自由度的控制。與前面的單一自由度的情況相比，這個模型的控制系統(tǒng)要復(fù)雜的多，至少需要6個加速度傳感器來監(jiān)測振動傳遞，因此就有6個輸出信號、6個輸入信號。針對這一情況，在控制算法上選用了重復(fù)控制算法。這種算法的優(yōu)點在于，在反饋系統(tǒng)中，對于周期性外激勵信號的跟蹤或者抑制具有很高的控制性能。通過試驗證明，在這種控制算法下，加速度的最大衰減量可以達到50 dB。這個結(jié)論證明了重復(fù)控制算法具有很大的潛在開發(fā)價值，為以后的實船試驗積累了很多寶貴的經(jīng)驗。

2 結(jié)語

1）有源控制系統(tǒng)物理機理的研究對控制器的設(shè)計優(yōu)化有直接幫助。而且通過跟蹤分析具有代表性研究學(xué)者的研究歷程發(fā)現(xiàn)，關(guān)于有源控制系統(tǒng)物理機理的研究通常是從簡單結(jié)構(gòu)開始，逐漸發(fā)展到復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

2）主/被動聯(lián)合控制技術(shù)將成為未來的主要發(fā)展方向，這樣不僅可以最大限度地降低潛艇的噪聲，也可以在主動控制系統(tǒng)失效的情況下，潛艇仍然可以利用被動控制技術(shù)保持較低的噪聲水平。

3）英國BAE系統(tǒng)公司與謝菲爾德大學(xué)采取合作的方式，開展主動控制技術(shù)研究，這樣既可以利用企業(yè)豐富資金優(yōu)勢，又可以利用大學(xué)科研機構(gòu)所具有的人力資源和創(chuàng)新精神，使兩者能很好的結(jié)合起來，更好地促進新型減振降噪技術(shù)的研究，這種合作方法值得借鑒。

4）主動控制技術(shù)成為當前研究隱身技術(shù)發(fā)展的一個重要方向，但是國內(nèi)是在20世紀80年代才開始引入這項技術(shù)，由于基礎(chǔ)薄弱，發(fā)展緩慢。從BAE系統(tǒng)公司的經(jīng)驗來看，由總體研究單位組織開展這類的研究無論是對于技術(shù)研發(fā)還是應(yīng)用推廣都具有很大優(yōu)勢。

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